Daniel Wilhelm

Daniel Wilhelm

CEO

Ihr 3D-Messtechnik Spezialist für taktile Messtechnik.

Oberflächenmesstechnik

Die Oberflächenmesstechnik gehört zur Qualitätskontrolle. Sie liefert Kenndaten zur Passung, Reibung oder zur Beschichtbarkeit eines Werkstücks.

mikroskopische untersuchung

Rauheit und Welligkeit ermitteln mit der Oberflächenmesstechnik

Die Beschaffenheit einer Oberfläche hat großen Einfluss auf die Qualität eines Werkstücks. Dabei ist es unerheblich, ob die Fläche rau, glatt oder wellig ist. Sie muss die vom Konstrukteur definierten Eigenschaften besitzen.

Abweichungen beeinflussen vor allem das Verhalten des Werkstücks in der Interaktion mit anderen Bauteilen. Eine zu glatte Oberfläche senkt einen definierten Reibwert. Das hat beispielsweise Einfluss auf die Beschichtbarkeit eines Produkts.

Ist die Oberfläche aber welliger und rauer als definiert, können sich Passung und Gleitsitz darunter verschlechtern. Die Oberflächenangaben werden daher vom Konstrukteur mit Hilfe von normierten Symbolen und Ziffern auf der Zeichnung eingetragen.

Ziel der Oberflächenmesstechnik

Das Ziel der Oberflächenmesstechnik ist die Feststellung von Gestaltabweichungen eines Werkstücks an seinen Außenseiten. Diese Gestaltabweichungen werden folgendermaßen definiert:

1. Formveränderungen
2. Welligkeit
3. Rauheit

Die Gestaltabweichungen untersuchen eine Oberfläche dabei von „Grob nach fein“. Formveränderungen sind sichtbare Schäden oder Fehler bei den Form- und Lagetoleranzen von Bauelementen auf einem Werkstück.

Ein verbogenes, gestauchtes oder torsioniertes Werkstück sollte von der Oberflächenmesstechnik ebenso identifiziert werden, wie falsch platzierte Bohrungen, Aussparungen oder Kanten.

Mit der modernen 3D Messtechnik können solche Fehler heute schon während der Produktion identifiziert werden. Eine Gestaltabweichung der ersten Ordnung lässt sich technisch nur bedingt wieder beseitigen. Häufig enden diese identifizierten Produktionsfehler als Ausschuss.

Die Welligkeit ist die der Rauheit übergeordnete Gestaltabweichung. Im Rauheitsprofil verläuft die Amplitude der Abweichungen entlang dem Wellenprofil.

Da der Übergang von Welligkeit zur Rauheit nicht definiert ist, kann es bei der Rauheitsmessung zu Interpretationsfehlern kommen.

Letzten Endes ist es aber in den meisten Fällen gleichgültig, ob ein Oberflächenfehler unter die Kategorie Wellen- oder Rauheitsprofil fällt. Eine Welligkeit lässt sich durch Schleifen häufig wieder in den Griff bekommen.

Die Rauheit ist schließlich die feinste Abstufung bei den Gestaltabweichungen. Sie beeinflusst ein Werkstück im Mikrometerbereich oder darunter.

Die Rauheit ist ihrerseits in weitere Abstufungen aufgegliedert, die in ihrer feinsten Ausprägung bis in den molekularen Aufbau eines Werkstoffs reichen. Für die meisten Anwendungen der Industrie ist die Rauheitsmessung aber in den gröberen Bereichen relevant.

Es gibt jedoch Ausnahmen: Die Oberflächenangaben von Reflektoren, beispielsweise von Hochleistungs-Teleskopen, können durchaus bis in den molekularen Bereich hinein reichen. Weicht die gemittelte Rautiefe von den definierten Oberflächenangaben ab, lässt sie sich in der Regel durch geeignete technische Maßnahmen wieder auf das gewünschte Maß bringen.

Zum Egalisieren stehen Schleif-, Polier- und Läppverfahren bereit. Für das Aufrauen einer Oberfläche können mechanische, thermische oder chemische Maßnahmen durchgeführt werden. Mit dem Einsatz von groben Schleifmitteln, Laserlicht oder scharfen Säuren wird die gewünschte Rauheit einer Oberfläche wieder hergestellt.

Feststellung einer Oberflächenstruktur

Für die Identifikation von Gestaltabweichungen der ersten Ordnung genügen bereits einfache Maßnahmen. Messschrauben, Schablonen oder bloße Augenkontrolle reichen aus, um grobe Fehler bei Form- und Lagetoleranzen festzustellen.

Für genauere Prüfungen stehen die 3D Koordinatenmessmaschinen zur Verfügung. Sie prüfen mit Hilfe von definierten Messpunkten die Gestaltabweichungen und können damit Verzüge, Torsionen und Durchbiegungen feststellen.

Bei der Welligkeit und Rauheit sind anspruchsvolle Messmethoden erforderlich. Gleichgültig, welches Verfahren der Oberflächenmesstechnik angewendet wird, das Ziel der Messung ist stets zunächst nur die Identifikation des Primärprofils.

Im Primärprofil sind raue und gewellte Gestaltabweichungen noch vereint. Nachdem das Primärprofil festgestellt wurde, wird eine geeignete Grenze definiert, bei der die gewellten in die rauen Strukturen übergehen.

Damit lässt sich das Primärprofil rechnerisch in beide Kenngrößen zerlegen. Die Welligkeit bezieht sich auf die Abstände der Wellenspitzen und die Amplituden zwischen Wellenspitze und Wellental. Das Rauheitsprofil verläuft entlang dieser wellenförmigen Linie und hat seinerseits wieder eine Spitzen-Tal-Struktur.

Kenngrößen der Rauheitsmessung

Die Rauheitsmessung liefert drei relevante Kenngrößen für die Oberflächenmesstechnik:

  • Mittenrauwert
  • Quadratische Rauheit
  • Gemittelte Rautiefe
  • Der Mittenrauwert bezieht sich auf den mittleren Abstand des Messpunktes zur Mittellinie des Rauheitsprofils an. Die einzelnen Abstände werden gemessen und durch ihre Anzahl geteilt. Daraus ergibt sich das arithmetische Mittel.

Dieser Mittelwert ergibt den Mittenrauwert. Problematisch an der Feststellung des Mittenrauwertes ist das Welligkeitsprofil, auf dem die Amplituden der Rauheit aufliegen. Deshalb wird der Mittenrauwert in der Praxis zwei Mal berechnet: Zunächst wird er innerhalb einer kleinen Messstrecke ermittelt.

Die Länge dieser Messstrecke gibt die Unterteilung einer größeren Messstrecke vor, die entlang des Wellenprofils verläuft. Anschließend wird die Messung innerhalb dieser definierten Strecken wiederholt.

Die Mittenrauwerte der einzelnen Abschnitte werden im Nachgang durch die Anzahl der Abschnitte geteilt. Es ergibt sich ein Gesamt-Mittenrauwert für die Messstrecke. Das Symbol für den Mittenrauwert ist Ra.

Die quadratische Rauheit bezieht sich nicht nur auf den Abstand einer positiven Amplitude (Wellenberg) zu einer Mittellinie, sondern bezieht auch das Wellental mit ein. Dieses wird als negativer Wert angegeben.

Würde man beide Werte einfach zusammen zählen, würden sie sich teilweise gegenseitig aufheben. Um ihn für die Berechnung der Rauheit erfassbar zu machen, wird die negative Amplitude quadriert und daraus die Wurzel gezogen.

Für die einfachere Berechnung geschieht das Gleiche mit der oberen Amplitude. Das Ergebnis ist die quadratische Rauheit, welche den Berg-Tal-Verlauf einer Strecke in seiner Ganzheit validiert. Das Symbol für die quadratische Rauheit ist Rq

Die gemittelte Rautiefe ist ein heute nicht mehr gebräuchliches Verfahren. Sie wird auch als „Zehnpunkthöhe“ bezeichnet. Die gemittelte Rautiefe wird noch auf älteren Messgeräten angegeben. Sie wird als Rz bezeichnet.

Verfahren in der Oberflächenmesstechnik

In der Oberflächenmesstechnik stehen zwei technische Ansätze zur Auswahl:

  • Taktile Verfahren
  • Optische VerfahrenDie ermittelten Werten lassen sich mit Rechnerunterstützung grafisch darstellen. Die dabei entstehenden Abbilder sind räumliche Darstellungen des Oberflächenprofils.

Durch die Rechnerunterstützung können deshalb sowohl die taktilen wie die optischen Verfahren der Oberflächenmesstechnik zu der 3D Messtechnik aufgewertet werden.

Taktile Verfahren in der Oberflächenmesstechnik sind vor allem die folgenden Ansätze:

  • 3D Koordinatenmessung
  • Tastschrittverfahren
  • Die 3D Koordinatenmessung dient zum Validieren größerer Flächen und Geometrien. Sie wird vor allem zur Feststellung von Form- und Lagetoleranzen heran gezogen. Bei dieser 3D Messtechnik fährt ein Tastkopf an einen definierten Punkt einer Oberfläche heran und nimmt seine Position auf.

Geometrische Grundfiguren wie Ebene, Zylinder, Kugel, Quader oder Pyramide genügen nur wenige Messpunkte, um die Korrektheit der Oberflächenangaben zu bestätigen. Freiformflächen benötigen eine größere Anzahl von Messpunkten.

Die 3D Messtechnik über Koordinaten ist jedoch nicht zur Feststellung von tiefer gehenden Oberflächenangaben geeignet. Dies ist eine Domäne der Tastschrittverfahren.

Das Tastschrittverfahren ist eine 3D Messtechnik, die technisch betrachtet dem taktilen Koordinatenmessverfahren ähnlich ist. Auch hierbei fährt ein Messkopf über die Oberfläche eines Werkstücks.

Mit Hilfe einer empfindlichen Sensorik wird dabei die Oberflächenstruktur sehr genau analysiert. Das Messprinzip ähnelt dabei den Tonabnehmern von Schallplattenspielern: Die Auslenkung des Tastkopfes wird über eine Spule in einen elektromagnetischen Impuls umgewandelt.

Dieser Impuls wird verstärkt und in eine digitale Information umgewandelt. Das Ergebnis von dieser Oberflächenmesstechnik ist jedoch stets das Primärprofil. Aus diesem wird über Zerlegung der einzelnen Strukturen auf die Wellenform und die Aufrauung geschlossen.

Optische Verfahren in der Oberflächenmesstechnik

Zur Kontrolle von Oberflächenangaben stehen heute immer weiter entwickelte optische Verfahren zur Auswahl.

Diese können eine hochpräzise Wellen- und Rauheitsmessung durchführen und als 3D Messtechnik plastisch auswerten. Zu den optischen Verfahren der Oberflächenmesstechnik gehöre folgende Ansätze:

  • Laserscanning
  • Stereo-Fotografie
  • Streifen- und Musterprojektion
  • Konfokale Messtechnik
  • WeißlichtinterferometrieObwohl das Laserscanning in Film und Fernsehen immer gerne für plastische Effekte heran gezogen wird, ist es nur ein kleiner Teil der Oberflächenmesstechnik. Es eignet sich gut für die Validierung von großen Oberflächen.

Damit steht es in starker Konkurrenz zu der taktilen 3D Koordinatenmesstechnik. Das klassische Abtasten per Laser wird gerne für Reverse Engineering und zur Herstellung von 3D Grafiken verwendet.

Entsprechende Geräte sind schon im Consumer-Bereich verfügbar und werden von der Maker-Bewegung mit ihren 3D Druckern gerne eingesetzt. Jedoch stehen sie in starker Konkurrenz zu einfacheren und vor allem schnelleren Verfahren. Rauheitsmessung per Laser ist hingegen noch nicht sehr weit verbreitet.

Die digitale Stereo-Fotografie ist eine 3D Messtechnik, die vor allem durch ihre Einfachheit und Schnelligkeit überzeugt. bei diesem Verfahren wird ein Werkstück einfach aus zwei Winkeln digital abfotografiert.

Aus den Daten wird das gewünschte 3D Modell errechnet und einem Soll/Ist Vergleich unterzogen. Die Stereo-Fotografie ist jedoch bislang nur für die Kontrolle von Form- und Lagetoleranzen einsetzbar. Gleiches gilt für die Streifen- und Musterprojektion. Sie ist der Stereo-Fotografie sehr ähnlich, erzeugt aber genauere Angaben.

Die konfokale Messtechnik und die Weißlichtinterferometrie sind schließlich Verfahren in der Oberflächenmesstechnik, die tiefe Einblicke in die Struktur ermöglichen.

Bei beiden Verfahren wird die Oberfläche mit einem Lichtstrahl beschienen, der durch eine schräg angeordnete, einseitig verspiegelte Lochblende geleitet wird. Das Licht wird von der Oberfläche reflektiert und über den Spiegel im rechten Winkel umgeleitet.

Dort wird es abermals durch eine Lochblende geführt. Dahinter befindet sich ein Fotorezeptor. Wenn der Brennpunkt des Lichtkegels exakt auf der Oberfläche liegt, ist die Reflexion am stärksten. Bei jeder Abweichung dunkelt die Reflexion ab.

Aus diesen Helligkeitsschwankungen errechnet die angeschlossene Software das Oberflächenprofil. Daraus lassen sich wiederum die Kennwerte wie Welligkeit oder gemittelte Rautiefe ermitteln.

Vorteile und Nachteile optischer Oberflächenmessung

Die optische Oberflächenmesstechnik ist in einigen Punkten den traditionellen taktilen Verfahren klar überlegen. Dazu zählt vor allem die Schnelligkeit der Messwerterfassung. Ebenso wichtig ist jedoch die Universalität ihrer Einsetzbarkeit.

Taktile Verfahren stoßen rasch an ihre Grenzen, wenn die zu vermessende Oberfläche stark porös, klebrig oder beschichtet ist. Die berührungslosen Verfahren der optischen Oberflächenmesstechnik können selbst flüssige oder gasförmige Grenzschichten von Medien vermessen.

Bei der Detailtiefe der Oberflächenangaben sind bei Festkörpern aber noch die taktilen Verfahren im Vorteil. Vor allem die Rauheitsmessung von zerspanten Metallprodukten wird dabei noch bevorzugt durch Tastschrittverfahren hergestellt.

Die optische Oberflächenmesstechnik unterliegt aber einem sehr hohen Innovationsdruck. Perspektivisch ist daher zu erwarten, dass die berührungslosen, schnellen Verfahren die taktilen Messmethoden vollständig verdrängen werden.

Das macht im Anschluss auch integrierte Prüfverfahren in Produktionslinien möglich, die auch bei komplexen Produkten und kurzen Taktzeiten eine 100 % Kontrolle durchführen kann.

Die Lieferung von Fehlteilen an den Kunden gehört dann der Vergangenheit an. Die optische Oberflächenmesstechnik ist damit ein wichtiger Bestandteil der Qualitätsverbesserung insgesamt.

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